[發(fā)明專利]一種防止擊穿失穩(wěn)的空間水升華器抑制結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010085906.3
• 申請日: 2020-02-11
• 公開（公告）號: CN111268175B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王霽翔;陳永平;熊凱;毛羽豐
• 申請（專利權(quán)）人: 揚州大學(xué)
• 主分類號: B64G1/22
• 分類號: B64G1/22;B64G1/52;B64G1/58
• 代理公司: 揚州蘇中專利事務(wù)所(普通合伙) 32222
• 代理人: 許必元

一種防止擊穿失穩(wěn)的空間水升華器抑制結(jié)構(gòu)，屬于溫度控制技術(shù)領(lǐng)域，儲水箱與水升華器主體通過水管相連，多孔板與水升華器主體上部密封貼合，整個空間水升華器通過多孔板中的漸縮孔與外部空間真空相通，多孔板外部側(cè)處在空間真空環(huán)境中，水升華器運行時，水升華器給水腔將被注滿液態(tài)水，液態(tài)水隨著液位上升至多孔板中時，由于壓力驟降、其溫度和壓力都降至三相點，故在多孔板漸縮孔中形成冰層，多孔板漸縮孔中的冰層在冰層與漸縮孔璧間的摩擦阻力、漸縮孔施加在冰層上的正壓力和漸縮孔產(chǎn)生的附加毛細(xì)壓力的協(xié)同作用下防止底部液壓力擊穿冰層，達(dá)到抑制空間水升華器擊穿失穩(wěn)的目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于溫度控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種航天器熱控系統(tǒng)組件性能提升結(jié)構(gòu)，具體的說是涉及一種防止擊穿失穩(wěn)的空間水升華器抑制結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

隨著我國載人航天技術(shù)的高速發(fā)展，月球取樣、火星探測、建造空間站等航天活動已越來越頻繁，航天員的出艙活動也會日趨頻繁。據(jù)調(diào)查，國際空間站的建造過程預(yù)計需2000h/年的出艙活動來進(jìn)行裝配和維修工作，并且在開始幾年內(nèi)每年將以50％的量增加。艙外活動過程中航天員的代謝和航天服中電子器件的散熱會使航天服中的溫度不斷增加。為了給航天員提供一個適宜生命活動和作業(yè)所需的熱舒適條件，迫切需要散熱性能高的熱控系統(tǒng)；另一方面航天器機(jī)載設(shè)備如半導(dǎo)體雷達(dá)、儲能電池、通訊作戰(zhàn)用激光二極管、超大規(guī)模集成電路等呈現(xiàn)出能量密集化和高度集成化的發(fā)展趨勢，機(jī)載設(shè)備性能增強(qiáng)的同時其電功率與發(fā)熱量水平也會顯著提高，而機(jī)載設(shè)備多是一類對溫度及其敏感的電子元器件，因此也需要熱控系統(tǒng)以排散產(chǎn)生的廢熱來維持適宜的設(shè)備運行溫度。在我國即將到來的首個月球無人采樣返探測器“嫦娥五號”的航天活動中，為保證月面任務(wù)實施時的能源供給，總體希望盡量在月晝正午開展探測活動以保證太陽電池陣的發(fā)電量較大。但月晝正午時月面溫度可達(dá)90℃以上，如此高溫會對設(shè)備散熱產(chǎn)生巨大阻礙，尤其以輻射散熱為主的熱控手段將會失效。

相變換熱技術(shù)是目前實現(xiàn)高熱量傳輸?shù)挠行Х绞健ＫA器是目前正在使用和預(yù)期即將使用的空間高效消耗型相變熱控方法。水升華器的工作原理如圖1所示，是一個與空間真空環(huán)境聯(lián)通的熱控裝置，其利用空間真空環(huán)境壓力(200km軌道空間壓力10-4Pa，3000km軌道空間壓力10-11Pa)遠(yuǎn)低于水的三相點壓力(610.62Pa)的情況下，液態(tài)水在水升華器進(jìn)口至其出口其壓力會經(jīng)歷一個從進(jìn)口壓力急劇降低至三相點壓力的過程，由于壓力的變化速率比溫度變化要迅速，一旦壓力降低至水溫對應(yīng)的飽和壓力(高于610.62Pa)時，當(dāng)壓力進(jìn)一步降低時，液態(tài)水就會通過閃蒸作用使自身溫度降低至與壓力對應(yīng)的飽和溫度，當(dāng)溫度與壓力都降至三相點(610.62Pa，273.16K)或三相點以下時結(jié)冰，此時的固態(tài)冰吸收熱量后利用水的升華熱(2835kJ/kg)不經(jīng)融化直接升華為蒸汽，如圖2所示，利用這一原理，工質(zhì)將按照液-固-氣的順序進(jìn)行相變。水升華器早在上世紀(jì)的Apollo計劃的太空任務(wù)中成功使用，我國水升華器技術(shù)的研究起步較晚，在2008年神舟七號艙外航天服“飛天”上得到首次應(yīng)用。另外，“嫦娥五號”著陸上升組合體采用以泵驅(qū)小型單相流體回路熱總線+水升華器為核心的一體化熱管理方案。

多孔板是水升華器的核心部件之一，利用冰層在多孔板中的摩擦阻力增大的原理，可以將冰層鎖在多孔板內(nèi)部，是防止水升華器發(fā)生擊穿失穩(wěn)的有效手段。所謂擊穿失穩(wěn)是指液態(tài)水沖破冰層不經(jīng)過相變直接射入空間而導(dǎo)致熱沉浪費，是水升華器的失效模式，應(yīng)研究抑制其擊穿失穩(wěn)的方法，使其獲得更加可靠的運行性能。造成水升華器的擊穿失穩(wěn)主要是兩點因素的共同作用：第一是由于圖1中水箱中的壓力過大，導(dǎo)致冰層下方的液態(tài)水壓力較大，已經(jīng)大于冰層在多孔板中的阻力，因而液態(tài)水可擊穿冰層；第二是由于施加在水升華器上的熱量過大導(dǎo)致多孔板中冰層升華速率較快，因而冰層厚度較薄，冰層附著在多孔中的面積較小，造成摩擦阻力較低，也會導(dǎo)致?lián)舸┦Х€(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

綜上所述，在未來的深空探測中，無論是航天員艙外航天活動，還是機(jī)載設(shè)備的穩(wěn)定運行，都不可避免的面臨缺乏靈活、穩(wěn)定散熱的問題。因此，設(shè)計一種長期有效的熱控手段以保證航天活動的安全穩(wěn)定運行顯得尤為必要。

發(fā)明內(nèi)容